CN109866416A - 全数字化纳米增材制造***及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明技术方案公开了全数字化纳米增材制造***及其工作方法，包括电极、吸附墨水、电源***、驱动单元、纳米转印***，电极包括可更换图案的工作电极和对电极；工作电极包括基底、分布于基底上的多个点阵电极，点阵电极包括电极图案和与电极图案连接的驱动单元，驱动单元包括与电极图案连接的驱动部件、与驱动部件连接的扫描导线，扫描导线连接至外部控制***；纳米转印***包括热压***，可以将纳米结构从图案电极转移到目标基底上。本发明的可更换图案的电极通过外部控制***的数字化编程控制驱动单元，从而控制电极图案的开关以在点阵电极中形成不同电场分布，最终形成具有不同图案的点阵电极，实现了在同一电极上形成不同的图形电极。

Description

全数字化纳米增材制造***及其工作方法

技术领域

本发明涉及增材技术技术领域，具体涉及一种全数字化纳米增材制造***及其工作方法，尤其是涉及增材方法制造纳米结构中的一种可更换图案的电极的制备***及其工作方法。

背景技术

纳米材料通常是指尺寸介于微观和宏观之间的纳米级体系，相比较于其他材料，纳米材料会展示出其独特的性质和新的规律，如量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性。目前微纳米级别的增材制造方法主要是通过印刷方式，包括喷墨打印、转印或者丝网印刷等工艺，但是受限于制造方法,这些方式大多只能提供微米级别的精度，且制备速度较慢。

美国西北大学的Ahmed Busnaina教授开发了一种基于电场吸附的纳米转印方式，可以实现纳米级别的制备精度，制备速度高于传统印刷方式且可以转印任意种类的纳米粒子,其中溶液中的纳米粒子可以带电，也可以不带电，其制备原理主要是采用纳米自组装工艺。

带电纳米分散液在电场作用下发生迁移，在图形化的吸附电极表面进行自组装，再通过转印的方式将纳米材料转印到其他基底上，从而实现快速、高分辨率的纳米材料的制备。不带电粒子具有一定的介电特性，在电场作用下它们会受到不同程度的极化，极化粒子在非均匀电场力的作用下会受到净电场力，通过控制电场变化可以实现非带电粒子的定向组装。

现有技术中吸附电极通常采用光刻或者离子溅射工艺加工制备，电极尺度可在纳米级别，因而分辨率最低小于100nm。但是现有技术的工艺具有一个显著的特点“单一模板”，即仅能制备一种图案的纳米材料，制备多种图案的纳米材料，需要更换图案则需制备多种模板，因此难以实现纳米材料的数字化图案制备与微纳米电路的快速原型与制造。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有技术的吸附电极结构中，单一模板仅能制备一种图案的纳米材料，当需要制备不同图案的纳米材料时就要更换带有其他不同图案的电极，难以实现纳米材料的数字化增材制备。

为解决上述的技术问题，本发明技术方案提供一种全数字化纳米增材制造***，包括电极、吸附墨水、电源***、驱动单元、纳米转印***，其中，电极包括可更换图案的工作电极和对电极；可更换图案工作电极包括基底、有序或无序地分布于所述基底上的多个点阵电极，每一所述点阵电极包括一电极图案和与所述电极图案连接的一驱动单元，所述驱动单元包括与所述电极图案连接的驱动部件、与所述驱动部件连接的扫描导线，所述扫描导线连接至外部控制***；吸附墨水为纳米材料的分散溶液；纳米转印***包括热压***，可以将纳米结构从图案电极转移到目标基底上。

可选地，所述驱动部件为晶体管，或者晶体管与电容组成。

可选地，所述驱动部件为晶体管时，所述晶体管数量为一个或两个。

可选地，所述驱动部件为晶体管和电容。

可选地，所述驱动部件为晶体管和电容时，所述晶体管数量为一个，所述电容数量为一个；或所述晶体管数量为两个，所述电容数量为一个。

可选地，所述电极图案与所述扫描导线之间具有绝缘层，且所述绝缘层包覆所述驱动部件。

可选地，所述电极图案的形状为圆形、三角形、四边形或多边形。

可选地，多个所述点阵电极有序地排布于所述基底上的方式为多个所述点阵电极横向、纵向或斜向均匀有序地分布于所述基底上，有序包括多个所述点阵电极在横向、纵向或斜向方向上的水平方向或水平高度一致以及，每两个所述点阵电极之间在横向、纵向或斜向上的距离相等。

可选地，多个所述点阵电极无序地排布于所述基底上的方式为多个所述点阵电极横向、纵向或斜向随机地分布于所述基底上。

为解决上述的技术问题，本发明技术方案还提供一种全数字化纳米增材制造***的工作方法，其中，所述工作方法如下：

通过数字化编程，将预设的图案数据通过驱动电路转化为电压信号并传输到工作电极的驱动单元阵列中，并进行驱动单元的开关状态/时长控制；

电源***与点阵电极连接，在点阵电极表面形成电势，并与对电极形成内部定向电场；

将工作电极通过电源***与一对电极连接并置于纳米材料分散液中，分散液中的带电颗粒在内部电场的驱动下富集于带电的电极图案上并形成对应的不同的图案；

通过扫描导线对点阵电极的多个电极图案进行扫描，并改变多个电极图案中的电场分布从而形成不同的图形电极，进行实现制备不同的纳米结构；

通过纳米转印***将吸附在电极图案上的纳米结构转印到目标基底上，从而实现在特定基底上全数字化的纳米增材制造。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明的可更换图案的电极通过外部控制***的数字化编程控制驱动单元，从而控制电极图案的开关以在点阵电极中形成不同电场分布，最终形成具有不同图案的点阵电极，实现了在同一电极上形成不同的图形电极。

附图说明

图1为单个电极工作时的原理示意图；

图2为本发明实施例中可更换图案的电极的横向排布结构示意图；

图3为本发明实施例中可更换图案的电极的纵向排布结构示意图；

图4为本发明实施例中可更换图案的电极的俯视图；

图5为图4中A处的剖视图；

图6为本发明实施例中驱动部件为一个晶体管时的电路示意图；

图7为本发明实施例中驱动部件为一个晶体管、一个电容时的电路示意图；

图8为本发明实施例中驱动部件为两个晶体管、一个电容时的电路示意图；

图9为本发明实施例中全数字化纳米增材制造***的工作方法的工作流程示意图。

附图中：

1为基底、2为点阵电极、3为扫描导线、4为绝缘层、5为数据线、6为电源线、7为晶体管、8为电容、10为工作电极、20为对电极、21为电极图案、22为驱动单元、30为电源、40为电吸附墨水。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示的单个电极工作时的原理示意图，工作电极10、对电极20通过电源***30连接并置于电吸附墨水40中并通电，工作原理是在单个像素区域(即单个电极)，工作电极10与对电极30之间产生不同的电压差,电吸附墨水40吸附在工作电极10上，即驱动微型芯片或带电纳米粒子相中的一个或者两个电极聚集,通过扫描整个列阵形成图案。

请参见图4和图5所示，示出了一种实施例的全数字化纳米增材制造***，包括电极、吸附墨水40、电源***30、驱动单元、纳米转印***50，其中，电极包括可更换图案的工作电极10和对电极20；可更换图案的电极10包括基底1、有序或无序地分布于基底1上的多个点阵电极2，每一点阵电极2包括一电极图案21和与电极图案21连接的一驱动单元，驱动单元包括与电极图案21连接的驱动部件22、与驱动部件22连接的扫描导线3，扫描导线3连接至外部控制***；吸附墨水40为纳米材料的分散溶液；纳米转印***50包括热压***，可以将纳米结构从电极图案21转移到目标基底上。

本实施例中，驱动部件为晶体管7，或者驱动部件为晶体管7和电容8，驱动部件为晶体管7和电容8时，晶体管7数量为一个，电容8数量为一个(如图7所示)；或晶体管7数量为两个，电容8数量为一个(如图8所示)。

本实施例中，电极图案21与扫描导线3之间具有绝缘层4，且绝缘层4包覆驱动部件22，进一步的绝缘层4可以包覆驱动部件22、电极图案21、扫描导线3。

本实施例中，电极图案21的形状为圆形、三角形、四边形或多边形，电极图案21的形状不作限制，可以是任意形状的二维平面形状，以便于后续工作时形成各种各样不同的图形电极。

本实施例中，多个点阵电极2有序地排布于基底1上的方式为多个点阵电极2横向、纵向或斜向均匀有序地分布于基底1上，有序包括多个点阵电极2在横向、纵向或斜向方向上的水平方向或水平高度一致以及，每两个点阵电极2之间在横向、纵向或斜向上的距离相等。如图2所示，多个点阵电极2横向排列在基底1上，每个点阵电极2都连接扫描导线3。如图3所示，多个点阵电极2纵向排列在基底1上，每个点阵电极2都连接扫描导线3。如图4所示，可更换图案的电极的外观的直观俯视图，多个点阵电极2以纵横均匀等间距的排布方式设于基底1中。

本实施例中，多个点阵电极2无序地排布于基底1上的方式为多个点阵电极横向、纵向或斜向随机地分布于基底上(未示出)，即除了如图2、图3和图4之外的点阵电极2之间或点阵电极2、基底1之间找不到规律排布方式，随机排布方式在此不一一示出，只要点阵电极2在基底1上的排布方式非规律性的、本领域技术人员能够理解的即可。

将这种点阵电极与对电极置于纳米材料的分散液中，通过驱动阵列的扫描，可以改变点阵电极上的电场分布情况，带电颗粒在内部电场的驱动下，会在具有电场的点阵电极或对电极上组装。而改变驱动单元的开关状态，可以调节点阵电极上的电场分布情况，从而控制纳米材料的定向组装。这种方式的优势是可以通过控制驱动点阵电极的开关实现任意纳米图形的制备，从而实现数字化控制纳米材料的自组装。

本发明的目的在于克服现有技术中纳米材料制备图案单一问题，例如单一模板仅能制备一种图案的纳米材料，无法快速制备任意图案可更换的纳米材料，难以实现纳米材料的全数字化图案制备与微纳米电路的快速原型与制造，本发明提供一种全数字化纳米增材制造***以及方法，驱动电路通过控制不同像素工作电极(即不同的点阵电极)的开关以及时长实现像素工作电极上的电场控制，操控纳米粒子溶液定向自组装，实现纳米增材的全数字化制备。

进一步的说明，相较于现有技术，传统方案中一种电极模板只能进行一种图案的纳米自组装制备，如果需要制备其他图案的纳米材料，只通过制备新的电极模板，无法实现任意图案更换的全数字化制备。

本发明通过驱动单元的开关特性控制像素工作电极上电场参数，例如电场强度、分布等，纳米材料吸附在有电场分布的像素工作电极表面。通过数字化编程控制驱动单元阵列的开关，从而解决了现有技术中的每个模板电极只能制备一种图案，实现了与喷墨打印类似的数字化模板制备。

传统方案中一种电极模板只能进行一种图案的纳米自组装制备，如果需要制备其他图案的纳米材料，只好制备新的电极模板。我们的方案是通过数字化编程驱动所述的阵列驱动单元的开关来控制阵列电极上的电场分布，使得纳米材料吸附在有电场分布的阵列电极上。驱动阵列的开关可以通过数字化编程控制，从而解决了现有方案中的每个模板电极只能制备一种图案的问题，实现了与喷墨打印类似的数字化模板制备。

通过以下说明进一步的认识本发明的特性及功能。

请对照图1、图4、图5和图9所示，本实施例中还提供一种全数字化纳米增材制造***的工作方法，可更换图案的电极的工作原理如图1所示，参见背景技术说明，其中，所述工作方法如下：

通过数字化编程，将预设的图案数据通过驱动电路转化为电压信号并传输到工作电极10(本实施例工作电极10如图1所示，优选的工作电极10包括基底1和多个设于基底1中的点阵电极2，点阵电极2的数量为N*M)的点阵电极2的驱动单元阵列中，并进行驱动单元的开关状态/时长控制；

电源***与点阵电极2连接，在点阵电极2表面形成电势，并与对电极20形成内部定向电场；

将工作电极10通过电源***30与一对电极20连接并置于纳米材料分散液(即吸附墨水40)中，分散液中的带电颗粒在内部电场的驱动下富集于带电(得电)的工作电极10的点阵电极2中的电极图案21上并形成对应的不同的图案；

通过扫描导线3对点阵电极2的多个电极图案进行扫描，并改变多个电极图案21中的电场分布从而形成不同的图形电极(即控制部分电极图案21得电、部分电极图案21失电，进而使得得电的电极图案21连续并形成某种特定的形状)，进行实现制备不同的纳米结构；

通过纳米转印***50将吸附在电极图案21上的纳米结构转印到目标基底上，从而实现在特定基底上全数字化的纳米增材制造。

综上所述，本发明的可更换图案的电极通过外部控制***的数字化编程控制驱动单元，从而控制电极图案的开关以在点阵电极中形成不同电场分布，最终形成具有不同图案的点阵电极，实现了在同一电极上形成不同的图形电极。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全数字化纳米增材制造***，包括电极、吸附墨水、电源***、驱动单元、纳米转印***，其特征在于，电极包括可更换图案的工作电极和对电极；可更换图案的工作电极包括基底、有序或无序地分布于所述基底上的多个点阵电极，每一所述点阵电极包括一电极图案和与所述电极图案连接的一驱动单元，所述驱动单元包括与所述电极图案连接的驱动部件、与所述驱动部件连接的扫描导线，所述扫描导线连接至外部控制***；吸附墨水为纳米材料的分散溶液；纳米转印***包括热压***，可以将纳米结构从图案电极转移到目标基底上。

2.根据权利要求1所述的全数字化纳米增材制造***，其特征在于，所述驱动部件为晶体管，或者晶体管与电容组成。

3.根据权利要求2所述的全数字化纳米增材制造***，其特征在于，所述驱动部件为晶体管时，所述晶体管数量为一个或两个。

4.根据权利要求1所述的全数字化纳米增材制造***，其特征在于，所述驱动部件为晶体管和电容。

5.根据权利要求4所述的全数字化纳米增材制造***，其特征在于，所述驱动部件为晶体管和电容时，所述晶体管数量为一个，所述电容数量为一个；或所述晶体管数量为两个，所述电容数量为一个。

6.根据权利要求1所述的全数字化纳米增材制造***，其特征在于，所述电极图案与所述扫描导线之间具有绝缘层，且所述绝缘层包覆所述驱动部件。

7.根据权利要求1所述的全数字化纳米增材制造***，其特征在于，所述电极图案的形状为圆形、三角形、四边形或多边形。

8.根据权利要求1所述的全数字化纳米增材制造***，其特征在于，多个所述点阵电极有序地排布于所述基底上的方式为多个所述点阵电极横向、纵向或斜向均匀有序地分布于所述基底上，有序包括多个所述点阵电极在横向、纵向或斜向方向上的水平方向或水平高度一致以及，每两个所述点阵电极之间在横向、纵向或斜向上的距离相等。

9.根据权利要求1所述的全数字化纳米增材制造***，其特征在于，多个所述点阵电极无序地排布于所述基底上的方式为多个所述点阵电极横向、纵向或斜向随机地分布于所述基底上。

10.根据权利要求1-9中任一所述的全数字化纳米增材制造***的工作方法，其特征在于，所述工作方法如下：

通过数字化编程，将预设的图案数据通过驱动电路转化为电压信号并传输到工作电极的驱动单元阵列中，并进行驱动单元的开关状态/时长控制；

电源***与点阵电极连接，在点阵电极表面形成电势，并与对电极形成内部定向电场；

将工作电极通过电源***与一对电极连接并置于纳米材料分散液中，分散液中的带电颗粒在内部电场的驱动下富集于带电的电极图案上并形成对应的不同的图案；

通过扫描导线对点阵电极的多个电极图案进行扫描，并改变多个电极图案中的电场分布从而形成不同的图形电极，进行实现制备不同的纳米结构；

通过纳米转印***将吸附在电极图案上的纳米结构转印到目标基底上，从而实现在特定基底上全数字化的纳米增材制造。